挖泥船电轴系统的设计与实现

刘 峰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

挖泥船电轴系统的设计与实现

刘 峰

(上海船舶运输科学研究所 航运技术与安全国家重点实验室， 上海 200135)

当前电轴系统在挖泥船上的应用日益广泛，我国挖泥船电轴系统已由最初的国外引进转变为国内制造。对此，研究电轴系统的工作原理，分析电轴系统在挖泥船上的应用环境，提出稳定、高效和安全的电轴系统设计。重点介绍电轴系统的设计与实现,为类似船舶电轴系统的设计提供参考。

挖泥船； 水下泥泵； 电轴系统； 自动控制

0 引 言

随着船舶日益大型化，航运业对航道和港口承载能力的要求越来越高，航道和港口疏浚工作变得越来越多。挖泥船作为疏浚工程的重要工具，其应用越来越广泛，我国的挖泥船已由最初的国外引进变成国内制造，当前国产化率>90%。为提高环保性和高效性，新建挖泥船将传统挖泥船的液压驱动水下泥泵改为电动机驱动。传统的电力驱动设备都由船舶电网直接供电，而船舶电网的容量相对于挖泥船水下泵电机较小，因此直接启动水下泵电机会产生较大的冲击电流，对电机和电网造成损害。针对挖泥船水下泥泵电机功率大及采用变频驱动方法成本较高且维修困难的问题，为降低对电网的损害、减少船舶初期成本，在水下泥泵电机的调速范围小且精度要求不高的情况下，产生一种新型的水下泵电机驱动方式——电轴系统。

1 挖泥船上电轴使用概况

电轴系统的传动链由原动机、发电机和电动机组成。发电机与电动机之间的电缆通常称为电轴，不受船体影响，可任意布置, 是解决非线性和长轴传动问题的一种方式。这种传动链是专用型电网，交流发电机组与电动机之间的传动链(电轴)适用于大功率的电力传动。电轴系统自早期应用于国外挖泥船上至今已使用多年，其因在解决绞吸挖泥船、斗轮挖泥船和耙吸挖泥船等船舶的水下泥泵传动轴的非线性和长距离问题上具有独特优势而被广泛采用，成为各类挖泥船认可的实用型经济方案，在疏浚作业中发挥着积极的作用。

2 电轴系统的原理

电轴系统采用独立柴油机驱动的同步发电机, 经专用的励磁控制系统调节，直接给感应异步电动机供电。由于电机的功率较大，因此一般都采用高压,在使用和维护上比较简便。电轴系统的特点是发电机与电动机直接相连,不设置断路器和开关柜，发电机和电动机的电气保护由励磁控制系统内的灭磁环节实现。

驱动水下泥泵的电动机的启动通过控制发电机的电压(频率)和励磁电流实现, 当拖动同步发电机的柴油机的转速稳定后，发电机投以强励磁, 使电动机在降频降压的条件下运行。当系统因采用异步电动机而引入滑差后,电动机的转速还能随着发电机转速(频率)的改变而变化。电轴系统实质上是一种交流变频系统,通过调节柴油机的转速，发电机的频率发生改变。

(1)

式(1)中:n为转速;f为频率;s为转差率;p为极对数。频率的变化会使转速发生变化，通过改变柴油机的转速实现对电动机转速的调节。由于水下泥泵对调速范围和精度的要求较低,因此这类调速完全能满足使用要求。水下泥泵的转速通常在70%～100%额定转速内变化，并要求柴油机等设备均满足恒转矩工作要求。

(2)

式(2)中:Φ为磁通量;E为感应电动势;f为频率;N为绕组匝数。感应电动势E近似等于定子绕组电压U, 为满足恒转矩工作要求,发电机的励磁控制也要作相应调整，即发电机的电压随频率成比例变化(电压调节特性满足U/F为常数) 。

3 电轴系统设计

近年来，随着挖泥疏浚装备不断更新和对安全可靠性能的要求不断提高,特别是对电轴系统的要求越来越高,需实现一种能与电轴柴油机信息互通、可自动控制的电轴系统,进一步实现自动疏浚功能。在国外，挖泥船智能自动疏浚操作技术不仅应用于大型耙吸船上，而且应用到新建的中型耙吸船上，并在绞吸船上实现自动化疏浚系统的集成,使得整个疏浚过程更加自动化、智能化。在国内，新建挖泥船也开始尝试采用智能集成监控系统应用技术，现已在部分船型上得到成功应用。智能集成监控技术不仅有助于提高疏浚效率，而且能降低环境污染。智能自动疏浚技术既是挖泥船技术发展的重要方向，也是挖泥船施工质量的重要保障。

根据电轴系统工作原理和电轴系统的使用情况，设计一款稳定、高效、安全型电轴系统，实现与柴油机、挖泥系统和船舶自动化的数据通信及相应功能扩展，进而实现疏浚系统的智能自动控制。电轴系统结构图见图1。

该系统中的同步发电机采用他励方式, 前级励磁电流由船舶电网提供,励磁控制柜结合对电轴系统的实时监测和对同步发电机的励磁控制实现电轴系统的自动控制和基本保护。互感器柜内的差动互感器实现同步发电机内部故障保护(差动保护)。电轴系统在手动模式时,既可在机旁逐一完成设备的启动及调整，也可通过遥控操纵单元对柴油机的启动、调速和励磁等进行远程操作; 电轴系统在自动模式时, 只需在集成控制系统中设定好所需转速(或由自动疏浚给出的最佳转速信号)，励磁控制柜接受集成控制系统的控制信号, 电轴系统就能先对柴油机升速并在转速达到设定值之后投励磁, 系统启动完成后调整到所要求的最佳转速。整套系统可实现电动机的自动启动、调速、励磁控制及系统保护, 并将系统的全部信息反馈到集成控制系统中。对于自动控制型电轴系统的安保系统,由于其控制功能集成有柴油机系统、电轴系统和集成控制系统,因此能提升整套系统运行的安全性。 当系统出现严重故障(包括柴油机超速、滑油压力过低、冷却水温度过高和发电机差动保护动作等)时，保护系统可使运行中的柴油机安全停止。对于系统运行监测,各设备的运行及状态参数在机旁监控柜上实时显示和存储, 并传送至励磁控制柜和集成控制系统中,实现全程监测。例如，柴油机重要的模拟量(转速、水油温度及压力等) 、开关量(应急停机、重要报警等) 、电动机运行参数、发电机运行参数和励磁柜参数等均以硬线或通信的方式提供给集成控制系统, 以提高系统操控的可靠性。

4 电轴系统主要设备选型建议

电轴系统在挖泥船上是作为特种工程设备应用的,在产品的制造和检验上缺少必要的监管。然而，电轴系统在挖泥船上的运行环境较为恶劣且面对的通常都是高压电气设备，其水下泥泵电动机的电缆随桥架或耙管的上下波动而不断承受弯折和牵拉应力，处于易损状态；此外，随着疏浚市场过热，很多简易性的电轴系统无必要的保护。因此，根据电轴系统的应用环境，对电轴系统主要设备选型提出以下建议。

1) 根据规范要求，容量≥1 500 kVA的船用发电机或船用高压电力系统发电机的内部绕阻须设置保护装置(即配置差动保护装置)。然而，电轴系统作为特种工程设备在挖泥船上应用，其安全性往往不受重视。一些简易电轴系统的监测报警和系统保护功能不完整, 一旦发电机内部绕阻发生短路, 将导致设备损毁甚至引发火灾。

2) 在电轴系统中，水下泥泵电机通常能在0～55 ℃范围内正常工作,因此要充分考虑其轴承的承受能力。发电机电磁在设计上要利于电动机启动, 要有强励磁功能, 充分考虑启动力矩，不能因启动过程迟缓而导致整个系统承受长时间的过电流影响，进而降低使用寿命。

3) 电轴系统中电机的功率较大, 建议采用冷却水冷却电机,冷却介质既可是淡水也可是海水。 淡水冷却系统复杂但安全性较高, 而海水冷却方便且经济,因此海水冷却的应用较多。采用海水冷却时,由于挖泥船作业会造成周围水质浑浊，混有少量沙泥的海水会对冷却水管产生冲刷,影响海水冷却器的使用寿命,因此为增加工作可靠性，建议采用耐海水腐蚀和双管结构形式的冷却器水管, 并设置漏水检测报警装置，同时将冷却器设计成整体抽出式以方便检修。

5 结 语

电轴系统不仅能节约成本，而且可提高船舶对工况的适应性，使挖泥船的工作效率和综合效益得到提高，在挖泥船领域得到广泛应用。对此，应充分重视相关产品的安全性和适用性，使电轴系统在疏浚工作中发挥更大的作用。

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Design and Implementation of Electric Shaft System in the Dredger

LIUFeng

(State Key Laboratory of Navigation and Safety Technology, Shanghai Ship &Shipping Research Institute, Shanghai 200135，China)

As the electric shaft system application becomes popular in dredgers, the domestic manufacturers are walking into the field. This paper analyzes the working principle and the application of the electric shaft system in dredgers, and proposes a design of the electric shaft system for dredgers with effectively improved stability，higher efficiency and better safety. The design and implementation of the system is described.

dredger; underwater pump; electric shaft system; automatic control

2017-01-09

刘 峰(1983—)，男，湖北荆州人，工程师，从事船舶电气的相关工作。

1674-5949(2017)01-0044-03

U674.31

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